В ближайшем будущем следует ожидать появления новых разновидностей наноустройств, которые, возможно, совершат настоящий переворот в медицине; в качестве примера можно назвать наномашины, предназначенные для курсирования по кровотоку. В фильме «Фантастическое путешествие» команду ученых и специальный корабль вроде подводной лодки уменьшили до размеров красного кровяного тельца — эритроцита. Затем все они предприняли путешествие по кровеносным сосудам и мозгу пациента и пережили в его теле множество приключений. Одна из целей нанотехнологии — создание молекулярных охотников, которые будут целенаправленно искать раковые клетки и аккуратно уничтожать их, оставляя здоровые клетки нетронутыми. Авторы научной фантастики давно придумали такое устройство — молекулярное судно, курсирующее в кровяном потоке в непрерывном поиске раковых клеток. Когда-то критики считали подобное абсолютно невозможным, а высказанные фантастами идеи называли пустыми мечтаниями фантазеров.

Тем не менее отчасти эта мечта сегодня уже реализована. В 1992 г. Джером Шентаг (Jerome Schentag) из университета Буффало изобрел умную таблетку, о которой мы упоминали ранее, — крохотный инструмент размером с настоящую таблетку, которую надо глотать и за продвижением которой затем можно следить при помощи электронного прибора. В нужный момент — и в нужном месте — ей можно подать команду на выброс лекарств. Созданы также умные таблетки с телекамерами для фотографирования внутренностей на пути их прохождения через желудок и кишечник. Движением таких таблеток можно отчасти управлять при помощи специальных магнитов. Таким образом, это устройство можно точно подвести к опухоли или полипу. В будущем, возможно, ученые научатся проделывать при помощи подобных устройств небольшие хирургические операции, удалять «лишние детали» и брать пробы на биопсию изнутри, не разрезая кожи.

Еще более миниатюрны так называемые наночастицы — молекулы, способные доставить противораковые лекарства к конкретной мишени; если этого удастся добиться, новая технология произведет революцию в лечении рака. Наночастицы можно сравнить с молекулярными «умными бомбами», их назначение — доставлять химический груз в конкретное точно заданное место и активировать там, что, естественно, резко снизит побочные эффекты. Если простая «бомба» бьет по всему вокруг, включая и здоровые клетки, то умная действует избирательно и сбрасывает свой химический груз только на раковые клетки.

Каждый, кому довелось испытать чудовищные побочные эффекты химиотерапии, оценит громадный потенциал наночастиц в деле уменьшения человеческих страданий. Химиотерапия промывает все тело смертельно опасными ядами, убивая раковые клетки лишь чуть эффективнее, чем обычные. У человека во время химиотерапии возникает целый спектр побочных эффектов, включая тошноту, потерю волос, слабость и т.п. Они настолько серьезны и настолько тяжело переносятся, что некоторые раковые больные согласны скорее умереть от болезни, чем подвергнуться подобной пытке.

Наночастицы полностью изменят ситуацию. Лекарства, к примеру противораковые, будут помещать внутрь молекулы, имеющей форму капсулы. Затем наночастицы с лекарством запустят в кровоток, но высвободится их химическое содержимое только тогда, когда наночастица отыщет место назначения.

Главная особенность наночастиц — их размер: от 10 до 100 нм. Они слишком велики, чтобы проникать в клетки крови, поэтому от нормальных клеток крови, или кровяных телец, наночастицы будут просто отскакивать. А вот раковые клетки выглядят иначе: их стенки пронизаны большими порами неправильной формы. Соответственно, наночастицы могут свободно заходить внутрь и доставлять лекарство по назначению, оставляя здоровые ткани нетронутыми. Врачам не потребуется сложная система управления, которая могла бы привести наночастицы внутри человеческого тела к цели. Они сами естественным образом аккумулируются в определенных типах злокачественных опухолей.

Красота этого метода в том, что он не требует сложного и опасного лечения, которое чревато серьезными побочными эффектами. Просто сами наночастицы должны быть правильного размера: слишком большие, чтобы нападать на нормальные клетки, но в самый раз для проникновения в клетки раковые.

Еще один пример — наночастицы, созданные учеными компании BIND Bioscience в Кембридже, штат Массачусетс. Эти наночастицы сделаны из полимолочной кислоты и кополимолочной/гликолевой кислоты, которые способны удерживать лекарства внутри молекулярной сетки. Это лекарство является полезным грузом наночастицы. Проводниками наночастицам служат пептиды, покрывающие их и целенаправленно сцепляющиеся с целевыми клетками.

В этой работе особенно привлекает тот факт, что наночастицы формируются сами, без сложных заводов и химических комбинатов. Достаточно смешать различные химические вещества постепенно, в правильном порядке и точно соблюдаемых условиях, — и наночастицы «соберутся» сами.

«Поскольку самосборка не требует проведения множества сложных химических реакций, получается, что наночастицы очень просты в производстве… И мы можем производить их килограммами, чего прежде никто не делал», — говорит представитель BIND Омид Фарохзад, врач, преподающий в Медицинской школе Гарвардского университета. Эти наночастицы уже доказали свою эффективность в опытах на крысах — в борьбе против рака простаты, груди и легких. При помощи цветных красителей несложно убедиться, что наночастицы собираются в нужном органе и высвобождают свой полезный груз так, как нужно врачам. Через несколько лет начнутся клинические испытания на людях.

Не исключено, что наночастицы смогут не только разыскивать раковые клетки и доставлять к ним нужные химические вещества, но и уничтожать их на месте без посторонней помощи. Принцип прост. Наночастицы способны поглощать свет определенной частоты. Если сфокусировать на них луч лазера, они нагреваются или начинают вибрировать, разрушая клеточные стенки всех оказавшихся поблизости раковых клеток и уничтожая их. Таким образом, ключевая задача здесь — подвести наночастицы вплотную к раковым клеткам.

Несколько групп исследователей, работающих в этой области, уже создали первые образцы. Так, ученые Аргоннской национальной лаборатории и Чикагского университета разработали наночастицы из диоксида титана (диоксид титана — распространенное вещество, присутствующее, в частности, в солнцезащитных кремах). Выяснилось, что эти наночастицы можно привязать к антителу, которое естественным образом ищет в организме раковые клетки определенного типа, так называемые мультиформные глиобластомы. Наночастицы подъезжают к раковым клеткам на этих антителах, как в такси. Затем на пять минут включается белый свет, раковые клетки нагреваются и в конце концов погибают. Исследования показывают, что таким образом можно уничтожить 80% раковых клеток.

Эта же группа исследователей разработала еще один способ убивать раковые клетки. Они создали крошечные магнитные диски, способные сильно вибрировать. Стоит подвести эти диски к раковым клеткам и включить небольшое внешнее магнитное поле — и вибрация дисков разрушит стенки раковых клеток. При испытаниях всего за 10 минут вибрации погибало 90% раковых клеток.

Такой результат не случаен. Ученые Университета Калифорнии в Санта-Крус разработали очень похожую систему с использованием золотых наночастиц. Эти частицы, всего лишь 20–70 нм в поперечнике, представляют собой сферическую оболочку толщиной в несколько атомов. Кроме того, ученые использовали определенный пептид, о котором известно, что его влечет к раковым клеткам кожи. При испытаниях на мышах этот пептид сцеплялся с золотыми наночастицами, после чего направлялся к раковым клеткам кожи. Если затем подсветить эти частицы инфракрасным лазером, они смогут нагреть клетки опухоли и тем самым разрушить их. «Примерно как если бы вы положили раковую клетку в горячую воду и сварили ее. Чем больше тепла выделяют наши металлические наносферы, тем лучше», — говорит Цзинь Чжан (Jin Zhang), один из исследователей.

Так что в будущем методики с использованием нанотехнологий смогут обнаруживать колонии раковых клеток за несколько лет до того, как из них сформируется опухоль, а циркулирующие в крови наночастицы будут их уничтожать. Сегодня прорабатываются теоретические основы подобных методов лечения.

Если продвинуться еще на шаг, то вместо наночастицы мы получим нанокар (наноавтомобиль) — устройство, которым можно по-настоящему управлять в его путешествиях по телу. Если наночастицы вводят в кровоток и оставляют в покое, то скоростью и направлением движения нанокаров можно управлять, примерно как машинками с радиопультом.

Джеймс Тур (James Tour) и его коллеги из Университета Райса разработали первый нанокар. Вместо колесу этой крохотной машинки — четыре фуллерена. Одна из задач, к решению которых стремятся исследователи, состоит в том, чтобы молекулярная машина могла буксировать по кровотоку крошечного робота, убивая по пути раковые клетки или доставляя жизненно необходимые лекарства точно к месту назначения.

Основная проблема состоит в том, что у нанокаров нет двигателя. Ученые изобретают все более сложные молекулярные машины, но вот создать молекулярный двигатель пока никому не удается, и это главный камень преткновения. Мать-природа решила эту задачу при помощи особой молекулы, аденозинтрифосфата (АТФ), которая и служит всем живым существам источником энергии. Именно за счет энергии этой молекулы на Земле существует жизнь; она ежесекундно обеспечивает энергией каждое движение наших мышц. Энергия запасается в молекуле АТФ за счет внутренних атомных связей. Однако создать синтетический аналог такому аккумулятору оказалось весьма сложно.

Томас Маллук (Thomas Mallouk) и Айюсман Сен (Ayusman Sen) из Университета штата Пенсильвания все же смогли найти потенциальное решение этой проблемы. Они создали нанокар, способный передвигаться со скоростью десятки микрон в секунду, т.е. примерно с такой же скоростью, с какой передвигается большинство бактерий. (Сначала они изготовили из золота и платины наностержень размером с бактерию, который затем поместили в водный раствор перекиси водорода. При этом на обоих концах наностержня началась химическая реакция, в результате которой протоны стали двигаться от одного конца стержня к другому. Поскольку двигались они в электрическом поле, создаваемом дипольными молекулами воды, возникла сила, толкающая наностержень вперед. Пока в воде присутствует перекись водорода, стержень будет двигаться.)

Подобные наностержни можно двигать при помощи магнитов. Ученые встроили в них никелевые диски, и теперь стержни, как стрелка компаса, разворачиваются вдоль линий магнитного поля. Двигая рядом обычный магнит с холодильника, можно направить наностержни в любую сторону.

Еще один способ заставить молекулярную машину двигаться — осветить фонариком пункт ее назначения. Свет способен разлагать молекулы на положительные и отрицательные ионы (фотодиссоциация). Ионы затем с разной скоростью диффундируют сквозь среду, создавая тем самым электрическое поле, а поле, в свою очередь, притягивает молекулярные машины. Таким образом, направив в определенное место фонарик, можно заставить молекулярные машины двигаться туда.

Нечто подобное я видел при посещении лаборатории Сильвэна Мартеля (Sylvain Martel) в Монреальском политехническом институте в Канаде. Он работал над идеей использовать для направленного перемещения крохотного чипа в кровотоке жгутики обычных бактерий. До сих пор ученым не удается соорудить атомный движитель вроде того, что можно найти в жгутике бактерии. Мартель задался вопросом: если нанотехнология не в состоянии изготовить такое устройство, то почему не использовать жгутики настоящих живых бактерий?

Для начала он изготовил микропроцессор размером меньше точки в конце этого предложения. Затем вырастил группу бактерий. Он сумел поместить около восьмидесяти бактерий с одной стороны чипа (условно говоря, сзади), так что они вынуждены были играть роль живого винта и толкать микропроцессор вперед. А поскольку бактерии эти были слегка магнитными, Мартель мог при помощи внешних магнитов направить их в любую нужную ему сторону.

Мне и самому удалось попробовать себя в роли погонщика бактерий. Я смотрел в микроскоп и видел там крохотный чип, который толкали перед собой несколько бактерий. Когда я нажимал кнопку, включался магнит, и чип начинал двигаться вправо. Когда я отпускал кнопку, чип останавливался, а затем начинал беспорядочно дергаться из стороны в сторону. Таким образом, я действительно управлял его движением. При этом я представлял себе, что когда-нибудь, возможно, врач нажатием подобной кнопки будет управлять движением наноботов в венах пациента.

Можно вообразить себе будущее, когда хирургию полностью заменят молекулярные машины, которые под управлением магнитов будут свободно передвигаться по системе кровообращения, собираться у больного органа, а затем высвобождать лекарства или проводить хирургическую операцию. Технологии, при которых требовалось разрезать кожные покровы человека, могут полностью уйти в прошлое. К примеру, магниты могли бы подвести наномашины к сердцу пациента, где требуется устранить блокаду артерий.

Как мы уже упоминали в главе 3, в будущем в нашей одежде, теле и ванной комнате будут присутствовать крохотные датчики, постоянно следящие за здоровьем хозяина и способные распознать болезни, такие как рак, за несколько лет до того, как они начнут представлять опасность. Ключ к этому — ДНК-чип, или ДНК-процессор, который, по обещаниям ученых, станет настоящей «микросхемой-лабораторией». Подобно трикордерам «Звездного пути», эти крохотные датчики будут за несколько минут проводить полный комплекс медицинских анализов и выдавать результат.

Сегодня проверка на рак — это долгий, дорогой и трудоемкий процесс, часто занимающий не одну неделю. Понятно, что количество пациентов, которых медики могут проверить, при таких условиях сильно ограничено. Однако компьютерные технологии меняют эту ситуацию. Ученые уже создают устройства, способные быстро и дешево распознать рак по определенным биомаркерам, выделяемым раковыми клетками.

Все та же технология травления, которая используется в производстве микросхем, позволяет вытравить на подложке такой микроскопический рельеф, при помощи которого можно будет распознавать специфичные для раковых клеток ДНК-последовательности.

Технология травления позволяет встроить в микросхему фрагменты ДНК. Эти фрагменты способны связываться с конкретными генными последовательностями, вылавливая их из текущей жидкости. Затем при помощи лазера можно быстро просканировать всю прилегающую область и найти соответствующие гены. Таким образом, гены не приходится считывать по одному, как раньше, а можно сканировать целыми тысячами за раз.

В 1997 г. компания Affymetrix выпустила на рынок первый коммерческий ДНК-чип, способный быстро проанализировать 50 000 ДНК-последовательностей. Уже в 2000 г. за несколько тысяч долларов можно было сделать 400 000 ДНК-проб. К 2002 г. цена упала до 200 долларов, при этом микросхемы-анализаторы стали еще более мощными. Цены, согласно закону Мура, продолжают падать и упадут до нескольких долларов.

Шейна Келли (Shana Kelley), профессор Медицинской школы при Университете Торонто, говорит: «Сегодня для оценки клинически значимого образца раковых биомаркеров вам потребуется целая комната компьютеров, и результата придется подождать. Мы научились измерять биомолекулы при помощи электронного чипа размером с кончик пальца». Она предвидит день, когда все оборудование, необходимое для анализа, уменьшится до размеров сотового телефона. Создание микросхемы-лаборатории будет означать, что каждый сможет использовать в собственной ванной химическую лабораторию, которую сегодня можно найти в хорошей больнице или в университете, только втиснутую в один-единственный чип.

Врачи Массачусетской больницы общей практики сконструировали собственный биочип, в 100 раз более мощный, чем все, что есть сегодня на рынке. Обычно, когда в крови появляются циркулирующие опухолевые клетки, их там очень немного — меньше чем одна на миллион, — но со временем они, получив возможность беспрепятственно размножаться, могут убить человека. Новый биочип достаточно чувствителен, чтобы обнаружить циркулирующие в крови опухолевые клетки, даже если их там всего одна на миллиард. В результате экспериментально доказано, что этот чип способен всего по нескольким миллилитрам крови распознать рак легких, простаты, поджелудочной железы, груди и кишечника.

При помощи стандартной технологии травления изготавливают чипы, на которых размещается 78 000 микроскопических стержней (высотой 100 микрон каждый). Под электронным микроскопом эта поверхность выглядит как вырубка с торчащими пеньками. Каждый выступ покрывают антителом к адгезивной молекуле эпителиальных клеток, которая присутствует во многих типах раковых клеток, но отсутствует в обычных клетках. Эта молекула необходима раковым клеткам для взаимодействия друг с другом при формировании опухоли. Если пропускать кровь по чипу, циркулирующие в крови опухолевые клетки прилипают к шпенькам. При клинических испытаниях этот чип успешно распознал рак у 115 из 116 пациентов.

Помимо всего прочего, широкое распространение таких чипов-лабораторий радикально изменит стоимость диагностики болезней. В настоящее время биопсия или химический анализ может стоить несколько сотен долларов и продолжаться несколько недель. В будущем она, скорее всего, будет обходиться буквально в копейки и занимать несколько минут. Скорость и доступность диагностики рака резко вырастут. Можно представить, к примеру, что каждый раз при чистке зубов мы будем проходить тщательную проверку на множество разных болезней, включая рак.

Лерой Худ (Leroy Hood) и его коллеги из Вашингтонского университета создали чип размером около 4 см, способный обнаруживать определенные белки по одной-единственной капле крови. Белки — строительный материал жизни. Все в нас — мышцы, кожа, волосы, гормоны и ферменты — состоит из белков. Разработка технологии поиска белков, характерных для различных болезней вроде рака, могла бы привести к созданию системы раннего предупреждения. В настоящее время такой чип стоит всего 10 центов и может определить какой-то конкретный белок в течение десяти минут; можно сказать, что он в несколько миллионов раз более эффективен, чем предыдущая система. Худ считает, что наступит день, когда чип-анализатор сможет быстро проверить сотни тысяч белков и предостеречь человека от множества болезней за несколько лет до того, как они приобретут сколько-нибудь серьезный характер.

Довольно наглядное представление о мощи нанотехнологий можно получить при взгляде на углеродные нанотрубки. В принципе известно, что они прочнее стали и к тому же проводят электричество, что сразу наводит на мысль об углеродных компьютерах. Но есть и проблема: для настоящей прочности такие трубки должны быть цельными, а самый длинный на сегодняшний день фрагмент чистого углеродного волокна составляет в длину всего несколько сантиметров. Но когда-нибудь из углеродных нанотрубок можно будет делать целые компьютеры и иные молекулярные структуры.

Углеродные нанотрубки состоят из отдельных атомов углерода, соединенных между собой в форме трубки. Представьте себе обычную садовую сетку, где каждое проволочное перекрестье представляет собой атом углерода. А теперь скатайте сетку в рулон — и получите геометрию углеродной нанотрубки. Такие нанотрубки возникают естественным образом всякий раз, когда образуется печная сажа, но ученым никогда не приходило в голову, что атомы углерода могут связываться еще и в такой неожиданной геометрии.

Поистине чудесными свойствами углеродные нанотрубки обязаны своей атомной структуре. Как правило, любой твердый кусок вещества, скажем камень или кусок дерева, представляет собой конгломерат из множества перекрывающихся структур. В такой смеси легко возникают трещины, а значит, такие предметы легко ломаются. Из этого следует, что прочность вещества определяется несовершенством его молекулярной структуры. Но не всегда это несовершенство заключается в нарушениях правильной структуры. К примеру, графит тоже представляет собой чистый углерод, но мы знаем, что это очень мягкий материал, поскольку он состоит из слоев углеродных атомов. Слои связаны между собой слабее, чем атомы внутри слоя, где каждый атом связан с тремя соседними, и могут легко скользить друг по другу.

Алмаз — это тоже чистый углерод, но одновременно это самый прочный природный минерал. Атомы углерода в алмазе организованы в плотную кристаллическую решетку с сильными связями, что и придает этому минералу его феноменальную прочность. Так же и углеродные нанотрубки обязаны своими поразительными свойствами правильной атомной структуре.

Углеродные нанотрубки постепенно прокладывают себе путь в промышленность. Благодаря хорошей проводимости из них можно делать кабели для мощных линий электропередач. Благодаря прочности их можно использовать для создания материалов более прочных, чем кевлар.

Однако самое важное, возможно, применение углеродные нанотрубки найдут в компьютерном деле. Углерод — один из нескольких кандидатов на замену кремния в качестве основы компьютерных технологий. Не исключено, что когда-нибудь будущее мировой экономики будет зависеть от ответа на вопрос: что заменит кремний?

Мы уже говорили, что закон Мура — фундамент информационной революции — не будет работать вечно. Не исключено, что страна, которой удастся первой найти подходящую замену кремнию, будет определять судьбы мира.

Когда рухнет закон Мура? Этот вопрос уже давно сотрясает мировую экономику. В 2007 г. самого Гордона Мура спросили, сможет ли знаменитый закон, названный его именем, работать всегда. «Разумеется, нет», — сказал Мур и предсказал, что его действие прекратится через десять-пятнадцать лет.

Примерно так же оценил перспективы компьютерной отрасли Паоло Гардини, сотрудник фирмы Intel, отвечающий за внешние исследования. Поскольку Intel Corporation задает тон всей полупроводниковой промышленности, слова Гардини подверглись тщательному анализу. В 2004 г. на ежегодной конференции Semicon West он сказал: «Мы понимаем, что можем продержаться на законе Мура еще по крайней мере лет пятнадцать-двадцать».

Движущей силой нынешней революции в мире кремниевых компьютеров является один принципиальный факт: способность УФ-излучения наносить на кремниевую подложку все более и более миниатюрные транзисторы, которые затем вытравливаются. Сегодня в процессоре Pentium на площади размером с ноготь может уместиться несколько сотен миллионов транзисторов. Поскольку длину волны УФ-излучения можно уменьшить до 10 нм, технология травления позволяет получать компоненты всего по 30 атомов в поперечнике. Но процесс миниатюризации не может продолжаться вечно. Рано или поздно он остановится по нескольким причинам.

Во-первых тепло, выделяемое мощными микросхемами, рано или поздно начнет их плавить. Поэтому не годится предложенное кем-то наивное решение — наложить несколько микросхем одна на другую, создав кубический чип. Да, это увеличит мощность процессора, но лишь ценой большего тепловыделения. Кубический чип выделяет так много жара, что на нем можно приготовить яичницу. К тому же кубическая форма затрудняет теплообмен, поскольку из всех параллелепипедов куб имеет минимальную площадь поверхности. Представьте: если увеличить сторону куба вдвое, то его объем (а значит, и выделяемое им тепло) вырастет в восемь раз, а площадь поверхности — только вчетверо. Это значит, что у кубического чипа количество выделяемого тепла с увеличением размеров растет вдвое быстрее, чем возможность охлаждения. Очевидно, кубические чипы — всего лишь частичное, временное решение проблемы.

Кое-кто предлагал использовать для травления микросхем не УФ-излучение, а рентгеновские лучи. В принципе это могло бы сработать, поскольку длина волны у рентгеновского излучения может быть в 100 раз меньше, чем у ультрафиолетового света. Но за все надо платить. При переходе с УФ на рентген энергия луча также увеличивается примерно в 100 раз. Это означает, что травление рентгеновским излучением может попросту погубить подложку, на которой вы пытаетесь что-то изобразить. Попытку применить рентген для литографии можно сравнить с попыткой художника изваять тонкую скульптуру при помощи паяльной лампы. Рентгеновская литография требует строжайшего контроля всех параметров и может служить лишь временным решением.

Во-вторых, существует фундаментальная проблема, проистекающая непосредственно из квантовой теории: принцип неопределенности, который утверждает, что нельзя точно знать одновременно положение и скорость атома или частицы. В сегодняшнем процессоре Pentium толщина слоя составляет около 30 атомов. К 2020 г. она может уменьшиться до пяти атомов; при этом электроны, из-за неопределенности своего положения, начнут просачиваться сквозь слои, вызывая короткое замыкание. Таким образом, для размера кремниевых компьютеров существует квантовое ограничение.

Как я уже упоминал, в своем обращении к 3000 лучших инженеров Microsoft в штаб-квартире компании в Сиэтле я сделал акцент на проблеме прекращения действия закона Мура. Лучшие творцы программного обеспечения признались мне, что в настоящее время компания воспринимает эту проблему очень серьезно, и одно из основных предлагаемых решений — параллельная обработка данных. Простейший способ реализовать такую схему — поставить в параллель несколько процессоров и разбивать каждую задачу на части, а затем, в конце, вновь собирать результат.

Параллельная обработка данных — одна из ключевых особенностей работы нашего мозга. Если снять с работающего мозга магнитно-резонансную томограмму, выяснится, что одновременно включается несколько разных участков. Это означает, что мозг разбивает задачу на маленькие кусочки и решает их одновременно. Именно поэтому нейроны (передающие электрические сигналы с крайне низкой скоростью — около 100 метров в секунду) могут работать лучше суперкомпьютера, в котором сигналы бегают почти со скоростью света. Проигрывая в скорости, человеческий мозг берет тем, что проводит миллиарды крошечных операций одновременно, а затем сводит результаты воедино.

Трудность с параллельной обработкой данных состоит в том, что каждую задачу необходимо предварительно разбить на несколько частей. Затем части обрабатываются разными процессорами, а в конце все это вновь собирается воедино.

Координация разбивки и сборки может оказаться чрезвычайно сложным делом, причем эта процедура сильно зависит от конкретной задачи; универсальный алгоритм найти очень трудно. Человеческий мозг делает это без заметных усилий, но мать-природа располагала миллионами лет для решения этой задачи, а наши программисты работают над ней всего около десяти лет.

Одна из возможных замен кремниевых чипов — транзисторы, собранные из отдельных атомов. Если кремниевые транзисторы начинают отказывать, поскольку проводники и слои в микросхемах уменьшаются до атомных размеров, то почему бы не начать все заново и не научиться считать на атомах?

В частности, что-то подобное можно реализовать на молекулярных транзисторах. Транзистор — это ключ, позволяющий контролировать ток по проводнику. Вообще говоря, кремниевый транзистор можно заменить одной сложной молекулой или, вернее, двумя механически связанными молекулами, такими, к примеру, как ротаксан и тиофенол. Внешне молекула тиофенола выглядит как длинная гантелевидная трубка с кольцевой «ручкой» посередине. В обычных условиях электричество свободно проходит сквозь трубку, делая ее проводящей. Но если «повернуть ручку», электрический ток будет перекрыт. Таким образом, молекула действует как ключ, контролирующий протекание электрического тока. Если назвать состояние, когда ток проходит через молекулу, «1», а запертое состояние — «0», то получится, что при помощи всего одной составной молекулы можно передавать цифровые сообщения.

Молекулярные транзисторы уже существуют. Несколько крупных корпораций объявило о создании транзисторов на базе отдельных молекул. Однако о коммерческом использовании говорить пока рано; прежде необходимо научиться корректно включать эти устройства в электрическую цепь, а также разработать технологию их массового производства.

Перспективный кандидат на роль молекулярного транзистора имеется в классе веществ, получивших название графенов, которые впервые выделили из графита в 2004 г. Андрей Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского университета, удостоенные за свою работу Нобелевской премии. Графен напоминает одиночный слой графита. В отличие от углеродных нанотрубок, которые представляют собой графитовое полотно, скрученное в длинную тонкую трубку, графен — плоское углеродное полотно толщиной всего в один атом. Подобно углеродным нанотрубкам, графен — новое состояние вещества, и сейчас ученые разбираются в его удивительных свойствах, включая и электрическую проводимость. «С точки зрения физики графен — просто золотая жила. Его можно изучать бесконечно», — замечает Новоселов. (Кроме того, графен — самый прочный материал, с которым до сих пор сталкивалась наука. Если поместить слона на карандаш и поставить карандаш на графеновое полотно, оно не порвется.)

Группе Новоселова удалось при помощи стандартной технологии, используемой в производстве компьютеров, вырезать самые маленькие, наверное, известные на сегодняшний день транзисторы. При помощи узкого пучка электронов можно вырезать в графене каналы, создавая таким образом транзисторы толщиной в один атом и десять атомов в поперечнике. (В настоящее время самые маленькие молекулярные транзисторы имеют размер около 30 нм. Самые мелкие транзисторы Новоселова получились еще в тридцать раз меньше.)

Эти графеновые транзисторы настолько малы, что представляют собой абсолютный предел для молекулярных транзисторов вообще. Если сделать транзистор еще меньше, в дело вступит принцип неопределенности и начнется утечка электронов. «Меньше этого, пожалуй, уже не получишь», — говорит Новоселов.

На роль молекулярного транзистора есть и другие перспективные кандидаты, но настоящая проблема здесь куда более приземленная: как подключать их в цепь и как собирать из них коммерчески жизнеспособный продукт. Дело в том, что мало создать один молекулярный транзистор. Молекулярными транзисторами очень трудно манипулировать, что само по себе достаточно очевидно, — ведь они могут быть в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Придумать технологию их массового производства — сложнейшая задача, и в настоящее время такой технологии не существует.

К примеру, графен — настолько новый материал, что пока не ясно, как можно получить его в больших количествах. Ученые могут изготовить лишь около 0,1 мм чистого графена, что, конечно же, слишком мало для коммерческого применения. Остается надеяться лишь на то, что когда-нибудь будет найден процесс самосборки молекулярных транзисторов. В природе иногда встречаются группы молекул, самоорганизовавшиеся, будто по волшебству, в идеальную структуру. До сих пор никому не удалось надежно воспроизвести подобный процесс.

Самое, пожалуй, амбициозное предложение состоит в том, чтобы использовать квантовые компьютеры, вычисления в которых проводятся на отдельных атомах. Некоторые ученые утверждают, что квантовые компьютеры — идеал и конечная цель, поскольку атом — мельчайшая единица, на которой можно производить вычисления.

Атом похож на крутящийся волчок. В принципе можно хранить цифровую информацию в группе крутящихся волчков, если условно считать волчок, вращающийся по часовой стрелке, цифрой 0, а против часовой стрелки — цифрой 1. Если вы перевернете один из волчков, 0 сменится 1 (или наоборот) и получится, что вы произвели некое действие.

Но в странном квантовом мире атом в каком-то смысле вращается одновременно и по часовой стрелке, и против нее. (Мы помним, что в квантовом мире находиться одновременно в нескольких местах считается нормальным.) Поэтому получается, что атом может хранить значительно больше информации, чем просто 0 или 1. Его состояние может описывать произвольную смесь 0 и 1. Так что квантовые компьютеры пользуются не битами, а «кубитами» информации. К примеру, какой-то конкретный атом может крутиться на 25% по и на 75% против часовой стрелки. Понятно, что информации здесь куда больше, чем один бит.

Квантовые компьютеры настолько мощны, что ЦРУ уже думает о потенциальной возможности использовать их для взлома кодов. В сущности, взлом шифра любой страны мира сводится к поиску ключа, а ключи к современным шифрам устроены чрезвычайно хитро. К примеру, ключ может быть основан на разложении некоего большого числа на множители. Конечно, число 21 легко представить как произведение 3 и 7. А теперь представьте, что у вас есть целое число из ста цифр и вам нужно представить его как произведение двух других целых чисел. У цифрового компьютера на такую операцию может уйти лет сто. А вот квантовый компьютер будет настолько мощным, что сможет в принципе легко взломать любой подобный шифр. Вообще, на подобных задачах квантовый компьютер легко обгоняет обычный.

Квантовые компьютеры — не фантастика, они уже существуют. Я своими глазами видел квантовый компьютер, когда был в МТИ в лаборатории Сета Ллойда (Seth Lloyd), одного из пионеров в этой области. Его лаборатория забита компьютерами, вакуумными насосами и датчиками, но самое главное в его эксперименте — это машина, внешне напоминающая стандартный аппарат для МРТ, только в уменьшенном масштабе. Как и в MPT-аппарате, в устройстве Ллойда имеется две большие катушки, создающие в пространстве между ними однородное магнитное поле, в которое помещается образец. Оси всех атомов в образце параллельны, атомы стоят как вращающиеся волчки. Если атом смотрит вверх, он соответствует 0, если вниз — 1. Ллойд посылает в образец электромагнитный импульс, изменяющий положение атомов. Некоторые из них переворачиваются, т.е. 1 превращается в 0, или наоборот. Таким образом машина произвела некое вычислительное действие.

Так почему на наших столах до сих пор не стоят квантовые компьютеры? Почему не все шифры раскрыты и не все загадки Вселенной разгаданы? Ллойд признался мне: настоящая проблема с квантовыми компьютерами заключается во внешних раздражителях, которые очень легко нарушают хрупкое равновесие атомов и избавиться от которых необычайно сложно.

Когда атомы «когерентны» и колеблются синхронно друг с другом, их равновесие настолько тонко, что от наимельчайших внешних помех синхронность нарушается и они «декогерируют». Даже пролет космической частицы или грузовик под окнами лаборатории может нарушить когерентность атомов и погубить вычисления.

Проблема нарушения когерентности — самый серьезный барьер на пути создания квантовых компьютеров. Всякий, кто сумеет ее решить, не только получит Нобелевскую премию, но и станет богатейшим человеком на свете.

Можно без труда представить, что создание квантовых компьютеров из отдельных когерентных атомов — тяжелый процесс, поскольку атомы быстро декогерируют и сбиваются с ритма. До сих пор самым сложным вычислением, которое удалось провести на квантовом компьютере, является 3×5 = 15. Выглядит, конечно, несолидно, но вспомните: это вычисление произведено на отдельных атомах.

Существует и еще одна странная проблема, берущая начало в квантовой теории и конкретно в принципе неопределенности. Все вычисления, проведенные на квантовых компьютерах, по сути своей обладают некой неопределенностью, так что любое вычисление необходимо проводить множество раз. Дважды плюс два будет четыре… по крайней мере иногда. Если повторить эту операцию много раз, ответ усреднится и вы действительно получите 4. Так что даже арифметика на квантовом компьютере становится какой-то расплывчатой.

Никто не знает, когда будет решена проблема декогерентности. Винтон Серф (Vinton Cerf), один из создателей Интернета, предсказывает: «К 2050 г. мы наверняка найдем способы проводить квантовые расчеты при комнатной температуре».

Необходимо также указать, что ставки в этой игре настолько высоки, что ученые одновременно исследуют несколько разновидностей новых компьютеров. Перечислим некоторые из конкурирующих конструкций.

• Оптические компьютеры. Эти компьютеры считают скорее на световых лучах, чем на электронах. Поскольку лучи света способны проходить сквозь друг друга, оптические компьютеры обещают то преимущество, что их можно будет сделать кубическими, без всяких проводов. Кроме того, лазеры можно изготавливать при помощи все той же литографической технологии травления, что и обычные сегодняшние транзисторы, так что теоретически на одну подложку можно впихнуть миллионы лазеров.

• Компьютеры на квантовой точке. Из полупроводникового материала, используемого в микросхемах, можно вытравить крохотные точки, настолько маленькие, что содержат, к примеру, всего по 100 атомов. При таком размере точки атомы могут стать когерентными и вибрировать в унисон. В 2009 г. была получена самая маленькая в мире квантовая точка, состоящая из одного атома. Вообще, квантовые точки уже доказали свою полезность в светоизлучающих диодах и компьютерных экранах. В будущем, если мы научимся корректно обращаться с такими точками, из них может получиться даже квантовый компьютер.

• Компьютеры на основе ДНК. Первый компьютер на основе ДНК-молекулы был изготовлен в 1994 г. в Университете Южной Калифорнии. Поскольку нить ДНК кодирует информацию при помощи аминокислот, обозначаемых буквами А, Т, С, G, вместо нулей и единиц, ее можно рассматривать как обычную компьютерную запись, только более емкую. Если обычный компьютер производит операции с большими числами посредством сдвигов и перестановок, то аналоговые операции можно производить физически, смешивая в пробирках жидкости, содержащие молекулы ДНК, которые можно всячески резать и сшивать. Процесс идет медленно, но одновременно работает так много молекул ДНК, что некоторые вычисления таким образом производить выгоднее, чем на цифровом компьютере. Хотя, конечно, цифровой компьютер удобнее: его можно поместить в корпус сотового телефона, а для работы ДНК-компьютера надо смешивать в пробирках ДНК-содержащие жидкости.